Blick von unten nach oben durch das grüne Blätterdachdach einer Buche. Von Oben fällt Licht auf die Blätter.

Photosynthese in bewegten Bildern

Ein internationales Forscherteam hat einen zentralen Schritt der Photosynthese erstmals in Aktion festgehalten. Die Gruppe um Christopher Kupitz von der Arizona State University nutzte den weltweit stärksten Röntgenlaser LCLS, um Bildsequenzen von einem Molekülkomplex namens Photosystem II aufzunehmen und zu einem Film zu kombinieren. Diese Struktur spaltet – unter Einfluss von Sonnenlicht – Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff. Die Wissenschaftler präsentieren ihre Beobachtungen im Fachjournal „Nature“.

Ein Kreis aus einer grauen Linie, auf dem in regelmäßigen Abständen fünf graue, kreisförmige Flächen liegen, die mit S0 bis S4 beschriftet sind. Innerhalb des Kreises sind links und rechts zwei chemische Formeln in dunkel grün dargestellt, dazwischen ein gebogener Pfeil und rote Blitze.
Wasserspaltungszyklus

„Wir wissen, dass der Prozess der Wasserspaltung in vier Schritte unterteilt ist. Aber bislang hat niemand diese vier Schritte wirklich gesehen“, erläutert Koautor Henry Chapman vom Center for Free-Electron Laser Science in Hamburg. Für ihre Versuche züchteten die Forscher zunächst winzige Kristalle des Photosystems II von Cyanobakterien, oder Blaualgen, der Gattung Thermosynechococcus elongatus, die Photosynthese betreiben. Um die Wasserspaltung in Gang zu setzen, beleuchtete das Team die Nanokristalle mit einem Laser im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts.

Mit den intensiven Röntgenblitzen der Linac Coherent Light Source, kurz LCLS, am Beschleunigerzentrum SLAC in den USA konnten die Forscher dann beobachten, wie sich die molekulare Struktur des Photosystems II in diesem Prozess deutlich veränderte. Denn der Röntgenlaser ermöglicht eine Belichtungszeit von lediglich dreißig billiardstel Sekunden – kurz genug um den Prozess der Wasserspaltung in unterschiedlichen Phasen einzufrieren. Schließlich fügten Kupitz und seine Kollegen eine Abfolge von Standbildern zu einem Film mit molekularer Auflösung zusammen.

„Dies ist die erste Szene eines molekularen Films, der die lichtgesteuerte Spaltung von Wasser im Photosystem II zeigt und damit jenen Prozess, der sämtlichen Sauerstoff in der Atmosphäre erzeugt“, berichtet Teammitglied Petra Fromme von der Arizona State University. Die deutliche Formänderung, die sich beobachten ließ, überraschte die Wissenschaftler. Sogar die Ausmaße der sogenannten Einheitszelle – der kleinsten Baueinheit eines Kristalls – änderten sich. Ein tieferes Verständnis der Photosynthese könne beispielsweise der Entwicklung besserer Solarzellen dienen, so Chapman, und vielleicht die Suche nach der künstlichen Photosynthese voranbringen.